數(shù)控技術(shù)第4章43節(jié)

1、第4章 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)4.1 概述4.2 位置檢測裝置4.3 進給電機及驅(qū)動4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.3 進給電機及驅(qū)動CNC裝置發(fā)出的位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動.進給驅(qū)動系統(tǒng)的組成：驅(qū)動器和電機。進給電機的類型：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和直線電機。4.3 進給電機及驅(qū)動4.3.1 步進電機及驅(qū)動驅(qū)動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機驅(qū)動器每向步進電機輸入一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，稱為轉(zhuǎn)動一個角度，稱為步距角步距角，通過，通過齒輪和絲杠帶動工作臺齒輪

2、和絲杠帶動工作臺移動。移動。 步進式進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于步進式進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)。 步進電機轉(zhuǎn)過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動速步進電機轉(zhuǎn)過的角度與電脈沖信號個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動速度與電脈沖信號的頻率成正比。度與電脈沖信號的頻率成正比。優(yōu)點：優(yōu)點：電機具有自鎖能力電機具有自鎖能力； 每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，理論上說步距誤差不會累積。上說步距誤差不會累積。缺點：缺點： 在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。在大負載和速度較高的情況下容易失步，能耗較大。應(yīng)用：應(yīng)用：步進電機的速度不高，在脈沖當量為步進電機的速度不高，在脈沖當量為1m/

3、脈沖脈沖時，最高移動速度為時，最高移動速度為2m/min，主要用于速度和精度要求不太，主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊機床改造。高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊機床改造。124324.3 進給電機及驅(qū)動逆時針旋轉(zhuǎn)30CA1B逆時針旋轉(zhuǎn)30B4A3CAB相通電AC1BCB42B3CBACAA相通電逆時針旋轉(zhuǎn)30C相通電4.3 進給電機及驅(qū)動1. 步進電機分類：步進電機分類：常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的常見的分類方式有按相數(shù)、按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進行分類原理、按輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進行分類 按相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，

4、但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。通電方式采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍等。 按力矩產(chǎn)生的原理分：有反應(yīng)式、永磁反應(yīng)式和混合式三類。 按輸出力輸出力矩的大小分：快速步進電機（0.07Nm4Nm）和功率步進電機（5 Nm50 Nm）兩類。 按結(jié)構(gòu)分類：有軸向分相式（即多段式）和徑向分相式（即單段式）。4.3 進給電機及驅(qū)動2. 步進電機工作原理反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。定子繞組定子轉(zhuǎn)子IC4.3 進給電機及驅(qū)動兩個相對的磁極組成一相。兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和IA A定子三相交流電中的“相”的概念不同。步進電轉(zhuǎn)子IB

5、B機通的是電脈沖，主要是指線圈的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。4.3 進給電機及驅(qū)動步進電機的工作方式(通電順序)可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。1）三相單三拍：）三相單三拍：三相繞組聯(lián)接方式：Y 型三相繞組中的通電順序為A 相 B 相 C 相通電順序也可以為：A 相相 C 相 B 相1234A4.3 進給電機及驅(qū)動CAAACB4132BCCB1 24 3BCAAA 相通電CBABCB相通電相通電C相通電相通電7.2 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)4.3 進給電機及驅(qū)動 三相單三拍的工作特點：三相單三拍的工作特點： 每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30； 轉(zhuǎn)子的

6、旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序； 每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步； 只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩 。4.3 進給電機及驅(qū)動2）三相六拍工作方式）三相六拍工作方式通電順序為： AABBBCCCAA（逆時針）（逆時針）AACCBCBCAA（順時針）（順時針）CB4A1A32CBC 1B 4AA2 B3 CC1B 4AA23BCB相通電ABC 相通電AC相通電ACB4132BCCB4132BCCB1423BCAAAAB 相通電A 相通電CA相通電4.3 進給電機及驅(qū)動 三相六拍工作特點：三相六拍工作特點：每步轉(zhuǎn)過15，步距角是三相三拍工作方式的

7、一半，電機運轉(zhuǎn)中始終有一相定子繞組通電，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。3）雙三拍工作方式）雙三拍工作方式定子繞組通電順序：ABBCCAAB（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)）ACBCCA（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）（轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)）有兩對磁極同時對轉(zhuǎn)子的兩對齒進行吸引，每步仍旋轉(zhuǎn)30。雙三拍工作特點：始終有一相定子繞組通電，工作比較平穩(wěn)。避免了單三拍通電方式的缺點。4.3 進給電機及驅(qū)動3. 步進電機實際結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小。定子磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）

8、達到新的平衡位置。4.3 進給電機及驅(qū)動若轉(zhuǎn)子40個齒，通電為三相三拍方式。當轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差（3），與C相定子齒相差（6）。A 相9順時針方向B 相3轉(zhuǎn)子齒展開C 相6各相定子4.3 進給電機及驅(qū)動4. 步進電機的主要特性1）步距角）步距角每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的理論值。 360mzkm定子相數(shù)；定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k通電系數(shù)，通電系數(shù)，m相相m拍，拍，k1；m相相2m拍，拍，k2。一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等等4.3 進給電機及驅(qū)動2）靜態(tài)矩角特性）靜態(tài)矩角特性靜態(tài)：步進電機處于通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)

9、。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj ：在電機軸上施加一個負載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度（失調(diào)角），轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負載平衡。矩角特性：步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj 隨失調(diào)角的變化曲線。4.3 進給電機及驅(qū)動步進電機驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)和反饋補償閉環(huán)系統(tǒng)兩種。開環(huán)系統(tǒng)和反饋補償閉環(huán)系統(tǒng)兩種。開環(huán)系統(tǒng)中開環(huán)系統(tǒng)中，CNC系統(tǒng)發(fā)出的N個進給指令脈沖和方向信號，經(jīng)驅(qū)動控制器之后，變成控制定子繞組按一定順序通、斷電N次的電平信號，步進電機產(chǎn)生相應(yīng)的角位移，經(jīng)絲杠螺母副轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量。 在反饋補償閉環(huán)控制中在反饋補償閉環(huán)控制中，位置檢測裝置檢測步進電機的實際角位移，將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號并在脈

10、沖混合器中與CNC系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖疊加，調(diào)整步進電機的實際角位移，使實際位置跟蹤指令位置。4.3 進給電機及驅(qū)動步進電機驅(qū)動控制器步進電機驅(qū)動控制器主要由環(huán)形分配器和功率放大器組成主要由環(huán)形分配器和功率放大器組成。 環(huán)形環(huán)形分配器負責分配器負責輸出對應(yīng)于步進電機工作方式的脈沖序輸出對應(yīng)于步進電機工作方式的脈沖序列列。主要主要功能：功能：將數(shù)控裝置輸入的進給指令脈沖信號，按將數(shù)控裝置輸入的進給指令脈沖信號，按步進步進電機所電機所要求的通電順序分配給步進電機驅(qū)動控制器中功率放大要求的通電順序分配給步進電機驅(qū)動控制器中功率放大器器的的各各相輸入端相輸入端，以控制，以控制定子繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機

11、的運定子繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向行及換向。 功率放大器負責功率放大器負責將環(huán)形分配器輸出的信號進行功率放大，將環(huán)形分配器輸出的信號進行功率放大，使輸出脈沖能夠直接驅(qū)動步進電機工作使輸出脈沖能夠直接驅(qū)動步進電機工作。通常環(huán)形分配器輸。通常環(huán)形分配器輸出的信號電流只有幾毫安，輸出電壓出的信號電流只有幾毫安，輸出電壓5V一下，而步進電機所一下，而步進電機所需電流較大，電壓也較高，因此必須經(jīng)過功率放大。需電流較大，電壓也較高，因此必須經(jīng)過功率放大。4.3 進給電機及驅(qū)動4.3.2 交流伺服電機及驅(qū)動交流伺服電機及驅(qū)動伺服驅(qū)動的發(fā)展歷程：步進電機直流伺服電機交流伺服電機旋轉(zhuǎn)式電機直線電機 理

12、由：閉環(huán)提高精度。理由：閉環(huán)提高精度。直流伺服電機調(diào)速方便，90年代以前（交流在性能成本方面不占優(yōu)勢）大量使用。但直流伺服電機的容量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有電刷、體積大和重量重，因此，其應(yīng)用受到限制。隨著交流伺服驅(qū)動性價比提高，交流伺服驅(qū)動電機已漸漸取代了直流伺服電機。4.3 進給電機及驅(qū)動1. 交流伺服電機的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（1） 交流伺服電機的種類及特點交流伺服電機有同步型同步型和和異步型異步型兩大類。異步型交流電機指的是交流感應(yīng)電機交流感應(yīng)電機。同步型交流電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機床中數(shù)控機床中多用永磁式多用永磁式同步電機。

13、同步電機。4.3 進給電機及驅(qū)動 異步型交流伺服電機異步型交流伺服電機：優(yōu)點：與同容量的直流電機相比重量輕（1/2），價格便宜(1/3)；缺點：轉(zhuǎn)速受負載的變化影響較大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，效率較低、功率因數(shù)低應(yīng)用：主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 永磁式同步電機：永磁式同步電機：優(yōu)點：比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積約小1/2，質(zhì)量減輕60，轉(zhuǎn)子慣量可減小到1/5、 效率高。缺點：啟動特性欠佳、控制復(fù)雜應(yīng)用：進給驅(qū)動4.3 進給電機及驅(qū)動（2）交流永磁同步電機的工作原理與特性）交流永磁同步電機的工作原理與特性結(jié)構(gòu)：電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。定子三相繞組定子轉(zhuǎn)子VS接線盒脈沖編碼器NnSS

14、4.3 進給電機及驅(qū)動n rns60f1pns nrns旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角，nr轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，f1交流電源頻率（定子供電交流電源頻率（定子供電頻率），p定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)通過調(diào)節(jié)頻率和極對數(shù)實現(xiàn)調(diào)速。通過調(diào)節(jié)頻率和極對數(shù)實現(xiàn)調(diào)速。4.3 進給電機及驅(qū)動2. 交流同步電機的變頻調(diào)速原理交流電機的電動勢方程、轉(zhuǎn)矩方程：U 1 E1 4.44 f1 N1 K1mTm C M m I a cos 2U1 定子每相相電壓；定子每相相電壓；E1 定子每相繞組感應(yīng)電動定子每相繞組感應(yīng)電動勢； N1 定子每相繞組匝數(shù)；定子每相繞組匝數(shù)

15、；K1 定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)；定子每相繞組匝數(shù)系數(shù)； m 每極氣隙磁通量；每極氣隙磁通量；Tm電機電磁轉(zhuǎn)矩；電機電磁轉(zhuǎn)矩；Ia 轉(zhuǎn)子電樞電流；轉(zhuǎn)子電樞電流； 2轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角。7.4 交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)4.3 進給電機及驅(qū)動在變頻調(diào)速的同時，要求供電電壓也隨之變化，即滿足U1/ f1為定值，以確保磁通量不變。因為變頻調(diào)速時，當U1不變，增加頻率f1，則磁通量減小，導致電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm下降,電機負載能力降低；若減小頻率f1，磁通量增加，定子電流上升，導致鐵損增加。變頻調(diào)速控制方式：基頻以下調(diào)速當電機在f1的額定參數(shù)下運行時，供電頻率低于額定值。基頻以上調(diào)速當

16、電機在f1的額定參數(shù)上運行時，供電頻率高于額定值。4.3 進給電機及驅(qū)動3交流同步伺服電機的變頻器交流同步伺服電機的變頻器變頻器將交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的交流恒壓恒頻的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的供電電源供電電源。（1）變頻器類型變頻器可分為交交變頻器（直接變頻器）和交直交變頻器（間接變頻器）兩種。 應(yīng)用最多的是交直交變頻器。根據(jù)變頻電源的性質(zhì)，又可分為電壓源變頻器和電流源變頻器。4.3 進給電機及驅(qū)動交交變頻：利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。該方法所得的交流電波動比較大，且

17、最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。正組 +- 反組50Hz-負載U0+50Hz交流輸入4.3 進給電機及驅(qū)動交直交變頻：先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。該調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。(a)交流電機VD濾波CM整流( b )逆變4.3 進給電機及驅(qū)動（2）正弦波脈沖調(diào)制（SPWM）逆變器脈寬調(diào)制（PWM）變頻是通過脈沖信號控制逆變器開關(guān)元件的導通和關(guān)斷時間比（即調(diào)節(jié)脈沖的寬度）來控制輸出電壓的大小和頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。uUttuUtt4.3 進給電機及驅(qū)動正弦脈寬調(diào)制（SPWM）是利用有正弦波特性的脈沖

18、信號去控制逆變器開關(guān)元件的通、斷時間比。此時，變頻器輸出近似于正弦波的電流，使得電機電源近似為正弦交流電。SPWM變頻器是目前數(shù)控機床應(yīng)用最廣泛的變頻器。變頻器是目前數(shù)控機床應(yīng)用最廣泛的變頻器。u4.3 進給電機及驅(qū)動uSPWM原理原理 單相調(diào)制原理單相調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖Oa)t波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負半周均如此處理。Ob)t4.3 進給電機及驅(qū)動三相SPWM變頻器的主回路結(jié)構(gòu)圖整流器：將三相工頻交流電變成直流電逆變器：將整流輸出的直流電壓變成三相交流電4.3 進

19、給電機及驅(qū)動4.3.3 直線電機及驅(qū)動直線電機直接驅(qū)動工件臺直線運動。取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，故這種傳動方式又稱為“直接驅(qū)動”，也稱“零傳動”。適用于進給驅(qū)動速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速數(shù)控機床。4.3 進給電機及驅(qū)動優(yōu)點：電機慣量小，系統(tǒng)響應(yīng)快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。運動更加平穩(wěn)、噪聲低、傳動效率高，動態(tài)剛度高。可設(shè)計成均布對稱，工作臺運動時受力均勻分布，運動推力平衡可無限延長定子的行程，運動的行程不受限制并可在全行程上安裝使用多個工作臺缺點：沒有機械聯(lián)接或嚙合，垂直軸傳動需要外加一個平衡塊或制動器磁鐵對電機部件的吸力很大，需解決防護、隔磁問題4.3 進給電機及驅(qū)動1.直線電機的類型和結(jié)構(gòu)直線電機的類型和結(jié)構(gòu)如果將旋轉(zhuǎn)電機沿過軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開成平面，便形成了扁平形直線電機。固定不動的部分稱為定子，動作部分稱為動子。由感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機演變的直線電機稱感應(yīng)式直線電機。由永磁式旋轉(zhuǎn)電機演變的直線電機稱永磁式直線電機。4.3 進給電機及驅(qū)動感應(yīng)式直線電機的演變：定子(初級)次級初級籠形轉(zhuǎn)子(次級)4.3 進給電機及驅(qū)動永磁式直線電機的演變：轉(zhuǎn)矩N SN S推力N4.3 進給電機及驅(qū)動